Введение к работе
Актуальность работы
Актуальность работы определяется развитием термоядерной энергетики, для которой проблемы накопления изотопов водорода в материалах защиты первой стенки и проницаемости конструкционных материалов термоядерного реактора (ТЯР) для компонентов топлива весьма существенны Топливом для ТЯР являются ионизованные и нагретые до высоких температур изотопы водорода - дейтерий и тритий, которые удерживаются в сильном замкнутом магнитном поле, имеющем тороидальную конфигурацию Необходимо, что бы термоядерная реакция протекала внутри вакуумной камеры, стенки которой будут подвергаться воздействию частиц высоких энергий и излучения Естественную обеспокоенность вызывает использование в ТЯР трития, который является Р-радиоактивным веществом В Международном Экспериментальном Термоядерном Реакторе ИТЭР, строительство которого планируется закончить в 2016 году, для защиты первой стенки вакуумной камеры от воздействия термоядерной плазмы планируется использовать пластины из бериллия, вольфрама и углерода
Большая часть конструкционных материалов ТЯР, имея поликристаллическую (металлы) или пористую (углеродосодержащие материалы графиты, углеродные композиты и углеродные пленки) структуру, является дефектной Учет влияния дефектов на газовую проницаемость и диффузию водорода в материалах так же актуален для многих других приложений в науке и технике, прежде всего в ядерных реакторах, водородной энергетике, микро- и нанотехнологиях
Имеется не так много работ, которые при рассмотрении процессов газового рециклинга учитывали бы дефектность материалов При этом роли протяженных кристаллических дефектов уделяется, как правило, недостаточное внимание В то же время, наибольшее влияние на процессы диффузии газа будут иметь именно масштабные дефекты Рассмотрению роли таких
дефектов в газовом балансе водорода в плазменных установках посвящена настоящая работа
Перечислим дефекты кристаллической структуры, которые могут присутствовать в материалах, по степени их влияния на газовый баланс водорода
поверхность,
поры,
межкристаллитные промежутки,
дислокации,
точечные дефекты
Каждый из перечисленных выше типов дефектов существенно отличается размером и, следовательно, тем, какой газ и в какой форме может находиться в нем Если рассматривать водород, то в кристаллической решетке, точечных дефектах, дислокациях и в межкристаллитных промежутках металлов он может находиться только в атомарном виде, а в остальных дефектах -как в атомарном, так и в молекулярном виде
Учитывая, что влияние поверхности на газовую проницаемость материалов подробно анализируется во многих работах, а точечные дефекты могут влиять, прежде всего, на накопление водорода в материале, играя роль ловушек, в данной работе сосредоточим внимание на таких крупномасштабных дефектах, как поры и межкристаллитные промежутки
Для исследования влияния поликристаллической структуры металла на проницаемость водорода был выбран ниобий Несмотря на то, что использование ниобия в вакуумной камере ТЯР в настоящее время не предполагается, этот материал очень удобен для изучения роли дефектов в его газовой проницаемости Это связано с тем, что Nb хорошо изучен и обладает большой величиной коэффициента диффузии водорода Поэтому влияние дефектов на исследуемые параметры проницаемости можно фиксировать с большой точностью при прочих равных условиях Использование кандидатных материалов ТЯР бериллия или вольфрама в наших установках было затруд-
нительно из-за токсичности оксидов бериллия и особенностей вакуумно-механических свойств вольфрама Тем не менее, теоретическая модель, развитая в диссертации для объяснения результатов экспериментов с Nb, может быть использована и других поликристаллических материалов этих материалов
В качестве углеродосодержащего материала был выбран мелкозернистый графит МПГ-8, применяющийся в российских токамаках Т-10 и Т-15 Аморфная алмазоподобная пленка была исследована как другой предельный случай дефектного углеродного материала, который часто встречается в токамаках
Целью работы является экспериментальное исследование влияния дефектной структуры поликристаллических и пористых материалов на проникновение водорода, в том числе при облучении водородной плазмой
Задачи работы включали в себя
исследование проницаемости ниобиевых мембран в зависимости от состояния обеих поверхностей и температуры мембраны,
исследование газовой проводимости пористых графитовых мембран,
исследование газовой проводимости аморфных алмазоподобных пленок,
исследование фазовых превращений водорода, растворенного в ниобии, акустическим методом,
разработка теоретической модели транспорта водорода через дефектные материалы и сравнение результатов моделирования с экспериментальными результатами,
оценка влияния углеродных покрытий на оборот водорода в плазменных установках
На защиту выносятся:
результаты исследования газовой проницаемости ниобия в диапазоне
температур от 300 до 1000 К при одновременной плазменной очистке
обеих поверхностей исследуемой мембраны,
результаты впервые проведенного исследования влияния фазового состояния водорода в межкристаллитном пространстве на газовую проницаемость ниобия,
результаты экспериментального исследования газовой проводимости мембран из мелкозернистого графита МПГ-8 и влияния плазменного облучения на проводимость,
результаты впервые проведенного экспериментального исследования газовой проницаемости свободных (без подложек) алмазоподобных углеродных пленок и их механической стойкости при приложении перепада давления газа,
теоретическая модель для расчета коэффициента диффузии водорода в материале, учитывающая влияние крупномасштабных дефектов,
моделирование компонентного состава плазменных и газовых потоков, получаемых в ЭЦР плазменном источнике с помощью разработанного кода OGRAS
Достоверность и обоснованность результатов работы
Достоверность разработанных моделей базируется на сравнении результатов моделирования с результатами проведенных экспериментов Достоверность экспериментальных результатов основана на применении адекватных средств проведения и контроля условий экспериментов, воспроизводимости результатов при повторении экспериментов, сравнении полученных результатов с результатами других исследователей
Научная и практическая значимость работы
Научная и практическая значимость работы состоит в создании развитой методологии для изучения свойств кандидатных материалов ТЯР, а именно
созданная модель позволяет учитывать влияние крупномасштабных дефектов на коэффициент диффузии водорода в материале,
созданные стенды позволяют измерять проницаемость металлических и пористых мембран,
развита акустическая техника определения фазового состояния водорода в металле,
разработаны методы компонентного анализа облучающих материал плазменных потоков
Новизна представленных результатов
Разработан и создан стенд для измерения проницаемости фольг при стационарном облучении обеих поверхностей чистыми однородными широко-аппертурными интенсивными плазменными потоками, получаемыми в безэлектродном ЭЦР СВЧ разряде низкого давления Это позволило обеспечить уникальное для плазменных источников превышение потоков ионов над потоками атомов водорода
Впервые измерена удельная газовая проводимость свободной алмазопо-добной пленки
Впервые определена температура фазового перехода водорода из состояния а' (неподвижный водород) в состояние а (подвижный водород) для объяснения результатов проницаемости поликристаллических ниобиевых фольг
Разработана модель для расчета коэффициента диффузии водорода в материале, учитывающая влияние крупномасштабных дефектов
Апробация работы
Апробация работы проводилась на 12 конференциях и совещаниях, в том числе на 5 международных
научных сессиях МИФИ-2000 и 2001, Москва,
XV, XVI и XVII международных конференциях «Взаимодействие ионов с поверхностью» ВИП-2001, 2003 и 2005, Звенигород,
симпозиуме по рециклингу водорода в обращенных к плазме материалах HW-10, 2001, Чикаго, США,
всероссийской конференции ФНТП-2004, Петрозаводск,
международном симпозиуме по водороду в веществе ISOHIM-2, 2005, Упсала, Швеция,
33-ей всероссийской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2006 г,
международной школе молодых ученых и специалистов «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами методы исследования», 2006, Петрозаводск,
всероссийской конференции молодых ученых и специалистов МАЯТ-ОФИЭ-2006, Туапсе,
3-ей международной конференции «Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами» IHISM-07, 2007, Петергоф
Структура и объем диссертации
